一种脉冲激光电源

摘要：本文所述的脉冲激光电源适用于泵浦脉冲YAG激光器。由于采用谐振逆变开关和先进的数字控制技术，并实施全面的电磁兼容性设计，使该电源的总体技术性能和可靠性大大提高。文中叙述了激光电源的主电路、控制电路以及调Q电路的工作原理，并给出了该电源的主要技术参数。
关键词：脉冲激光电源

0 引言
    激光电源是激光器的能源，它向激光器提供泵浦能量，控制激光输出强弱和重复频率。因此，激光电源是激光器必不可少的重要组成部分。早期的脉冲激光电源，如谐振充电型或LC恒流充电型激光电源，都是用工频交流变压器进行升压，并实现对电网的隔离。由于工频交流变压器体大笨重，人们从七十年代开始研制开关型电源。它是将工频交流整流成直流，再用开关功率变换方法，将直流逆变成高频交流，通过高频变压器进行升压，与电网隔离之后进行整流，给储能电容器充电，最后经氙灯放电给激光器提供泵浦能量。由于高频变压器的体积和重量远小于同等容量的工频变压器，因此，整个激光电源的体积和重量大大减小。同时，由于频率的提高，每周期给储能电容器充电少，通过充电电压的控制，使充电电压实现稳定可调，从而大大提高了激光输出的稳定性。
    本文介绍的脉冲激光电源性能主要指标为：每次脉冲能量25J，脉冲重复频率可调，最大为40Hz，额定输出功率为l000W，输出激光能量稳定度大于95％，输出激光延时稳定度为±1μs。

1 主要工作原理
    1)主电路工作原理
    主电路原理框图见图1，主电路由工频220V供电，整流为310V直流，中间设有软启动电路和滤波环节，逆变电路由谐振电感、谐振电容和IGBT逆变开关组成半桥电路，逆变频率为22kHz，逆变后，通过高频变压器进行升压，与电网隔离之后进行高频整流，再给储能电容器充电。储能电容器放电前，由触发电路产生的高压将负载氙灯击穿电离，预燃电路给负载氙灯提供稳定的预燃电流，使负载氙灯处于放电前的准备状态。

    充好电的储能电容器经放电开关和成形电感给负载氙灯放电，从而实现对激光器的泵浦。
    2)控制电路工作原理
    脉冲YAG激光电源的控制部分主要有信号源、信号处理及整形、延时调节、脉冲功率放大、储能电压控制以及隔离等电路组成。我们研制的脉冲YAG激光电源采用谐振开关技术的主电路结构，可以实现电流过零时刻的关断，能够有效地减少开关损耗，从而提高了转换效率。根据主电路的组成，控制电路主要完成充电控制、放电控制、充放电间的时间连锁、调Q延时控制等功能。在主电路与控制电路的接口增加隔离措施，以防止主电路对控制电路的干扰而造成控制电路失控现象的发生。[!--empirenews.page--]
    (1)充电控制
    主电路的充电电路是由两个IGBT逆变开关元件组成的半桥电路，两个开关通断的相位差要求为180°，所以两路控制信号的相位差也必须保证为180°。在一个逆变周期里，每个IGBT逆变开关要分别完成导通和关断续流两个过程，为防止半桥电路的直通现象，在两路控制信号的相邻两个脉冲周期之间，设定一个死区时间，使半桥电路的两个逆变开关同时处于关断状态。充电控制电路的框图如图2所示。

    电路工作时，由信号源产生两路脉宽可调、相位差为180°的振荡信号，两路振荡信号的合成频率为22kHz。充电时，充放电连锁和停止充电控制端均为高电平，允许充电控制信号通过与门电路，再经过脉冲放大和隔离电路控制主电路逆变开关工作。当主电路储能电容器充到预定电压时，通过反馈取样，使停止充电控制端为低电平，封锁充电控制信号，使充电过程停止。另外，放电时，充放电连锁控制端也产生一个宽度为l～2ms的低电平，封锁充电控制信号，使充电过程在放电时停止。
    (2)放电控制
    主电路的放电电路是由SCR作开关，其导通由放电控制信号控制，关断是由放电电流过零时自行关断的。我们设定的几种固定放电频率为：lHz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz。另外还具有手动单次放电以及外时钟编码控制功能。具有放电频率多样，调节方便灵活等特点。由于采用晶体振荡器，因此，频率精度很高。放电控制电路的框图如图3所示。

    电路工作时，由振荡器产生2MHz的时钟脉冲信号，供计数器计数。当计数器的Q端计数到与数值比较器的预置数相等时，在数值比较器的Q端输出一个与时钟脉冲宽度相等的脉冲信号。同时，这个脉冲信号对计数器复位，使计数器重新开始计数。当计数器第二次计数到与数值比较器的预置数相等时，在数值比较器的Q端又输出第二个脉冲信号，此过程循环往复。这样，在数值比较器的输出端便得到一个系列的脉冲串，其脉宽为时钟脉冲的宽度(即250ns)，频率f为：
    f=2MHz×预置数的倒数
    使用这种分频的方法得到的分频误差为±250ns，精度很高。由于后续电路均为边沿触发方式，对脉冲宽度的微小变化无特殊要求，因此，整个放电精度即为±250ns。经数值比较分频的脉冲信号再经进一步的分频、整形、脉冲放大和隔离后，触发放电开关SCR。同时也得到了充放电连锁控制信号和调Q延时同步信号。
    3)调Q电路工作原理[!--empirenews.page--]
    (1)调Q原理
    品质因数Q是表征激光谐振腔质量的参数，与激光谐振腔的损耗成反比，Q值越高，越容易产生激光振荡。调Q的目的在于：在激光器开始工作时，先使激光谐振腔处于低Q值状态，此时工作物资不断积累粒子。当粒子数积累到最大值的时刻，使Q值突然阶跃性升高，激光谐振腔立即雪崩式地建立起极强的激光振荡，在极短的时间内输出激光巨脉冲。目前，脉冲固体激光器都采用KD*P电光晶体作为Q开关。它主要是依靠在电光晶体上所施加的电场作用改变激光谐振腔内的偏振特性来实现调Q的，而这个电场是通过在KD*P电光晶体上施加的四分之一波长电压产生的，其数值一般为3 000～4 000V。在KD*P电光晶体上施加四分之一波长电压作用下，激光谐振腔为低Q值状态，进行粒子数的积累过程。当粒子数积累到最大值时，使用退高压开关，去掉所加电压，即可使激光谐振腔的Q值阶跃性突然升高，输出脉宽极窄的激光巨脉冲。
    (2)调Q电路原理
     调Q电路主要由晶体高压电路及退高压电路组成。其原理框图如图4所示。

    晶体高压电路要求能够产生一个电压可调的稳定的直流高压。由于电光晶体具有电容特性，等效电容很小(约30pF)，负载较轻，因此，采用直流高频逆变电路较为方便。电路工作时，由可调低压直流电源通过高频逆变升压，再整流成高压直流施加到电光晶体上。通过对逆变控制信号的频率和脉宽的调节，施加在电光晶体上的直流高压非常稳定。
    退高压同步信号(即调Q同步信号)由放电控制电路给出。以放电控制信号的上升沿为同步点，经过延时处理、隔离、脉冲升压后，触发退高压开关，使激光器输出激光巨脉冲。在延时时间内，由于晶体高压的作用，激光谐振腔的Q值极低，工作物资处在粒子积累过程中，因此，延时时间即为粒子数积累到最大值的时间。根据经验，延时时间约为100～200μs左右。由于不同的激光物质的差异，在实际应用中，应当针对不同的激光器进行具体地调节，以输出激光最强为准。

2 电源性能
    1)实际应用
    用该电源给一台脉冲YAG激光器泵浦。实现了激光器氙灯内触发、氙灯预燃、储能电容器放电、晶体高压闭锁和退高压输出额定激光。该电源多次参与实验室内外工作，圆满完成任务。
    2)电源性能
    用校验后的仪表，对该脉冲激光电源进行测试，主要技术参数如下表。

3 结束语
    该脉冲激光电源的研制，达到了预期的各项技术指标。由于采用谐振逆变开关和先进的数字控制技术，并实施全面的电磁兼容性设计，使该电源的总体技术性能和可靠性大大提高。为YAG脉冲激光器的实际应用提供了可靠保障。